TECNOLOGÍA. Avance permitiría almacenar y transportar hidrógeno en polvo barato y seguro

hidrógeno

 

Los investigadores de Deakin han descrito un proceso mecanoquímico novedoso que puede almacenar gases de forma segura en polvo, utilizando muy poca energía, en un proceso repetible. Depositphotos

Científicos australianos dicen que han hecho un gran avance de "momento eureka" en la separación y el almacenamiento de gases que podría reducir radicalmente el uso de energía en la industria petroquímica, al tiempo que hace que el hidrógeno sea mucho más fácil y seguro de almacenar y transportar en forma de polvo.

19 julio 2022.- Los investigadores de nanotecnología, con sede en el Instituto de Materiales Fronterizos de la Universidad de Deakin, afirman haber encontrado una forma supereficiente de atrapar y retener gases en polvo de forma mecanoquímica, con implicaciones industriales potencialmente enormes y de gran alcance.

La mecanoquímica es un término acuñado relativamente recientemente , que se refiere a las reacciones químicas que se desencadenan por fuerzas mecánicas en oposición al calor, la luz o las diferencias de potencial eléctrico. En este caso, la fuerza mecánica es suministrada por el molino de bolas, un proceso de molienda de baja energía en el que un cilindro que contiene bolas de acero gira de tal manera que las bolas ruedan hacia arriba por el costado y luego vuelven a caer, aplastando y rodando sobre el material interior. 

El equipo ha demostrado que moler ciertas cantidades de ciertos polvos con niveles de presión precisos de ciertos gases puede desencadenar una reacción mecanoquímica que absorbe el gas en el polvo y lo almacena allí, brindándole lo que es esencialmente un medio de almacenamiento de estado sólido que puede contener los gases. de forma segura a temperatura ambiente hasta que se necesiten. Los gases se pueden liberar según sea necesario, calentando el polvo hasta cierto punto.


Separación mecanoquímica de gases mediante molienda de bolas. Universidad de Deakin

El proceso es repetible. La investigación se publica en la revista Materials Today .

El polvo de nitruro de boro utilizado en los primeros experimentos solo pierde "alrededor de un dos por ciento" de su capacidad de absorción en cada ciclo de almacenamiento y liberación. El nitruro de boro es muy estable y el grafeno también. Ahora, los investigadores están buscando un tratamiento de restauración que pueda limpiar los polvos y restaurar sus niveles de absorción.

Una revisión revolucionaria de la industria de separación masiva de gases

Los resultados son absolutamente notables desde el punto de vista de los números. Este proceso, por ejemplo, podría separar los gases de hidrocarburos del petróleo crudo usando menos del 10% de la energía que se necesita hoy. 

Actualmente, la industria del petróleo utiliza un proceso criogénico. Varios gases se juntan, así que para purificarlos y separarlos, enfrían todo a un estado líquido a muy baja temperatura y luego lo calientan todo junto. Diferentes gases se evaporan a diferentes temperaturas, y así es como se separan en la actualidad.

La criogenia es un proceso que consume mucha energía, y el equipo de Deakin descubrió que su proceso de molienda de bolas podría ajustarse para separar los gases con la misma eficacia utilizando mucha menos energía. Descubrieron que diferentes gases se absorben a diferentes intensidades de molienda, presiones de gas y períodos de tiempo. Una vez que el primer gas se absorbe en el polvo, se puede eliminar y el proceso se puede volver a ejecutar con un conjunto diferente de parámetros para atrapar y almacenar el siguiente gas. Asimismo, algunos gases se liberan de los polvos a temperaturas más altas que otros, lo que ofrece una segunda forma de separar los gases si se almacenan juntos.

En los experimentos del equipo, lograron separar una combinación de gases de alquino, olefina y parafina utilizando polvo de nitruro de boro. El proceso lleva un tiempo: algunos gases se absorbieron por completo después de dos horas, otros solo se absorbieron parcialmente después de 20 horas. Pero los científicos creen que esto debería ser solo una cuestión de ajuste.

Incluso si toma un tiempo, los ahorros en costes, y los ahorros de energía y de emisiones, constituyen un caso extraordinario para una adopción generalizada. 

"La energía consumida por un proceso de molienda de 20 horas es de US$0,32", se lee en el informe. "Se estima que el proceso de adsorción de gas de molienda de bolas consume 76,8 KJ/s para separar 1000 litros de mezcla de olefina/parafina, dos órdenes menos que el proceso de destilación criogénica".

Incluso cuando se tiene en cuenta la energía necesaria para calentar el polvo hasta varios cientos de grados y liberar el gas, el proceso es enormemente eficiente. Y la destilación criogénica es un proceso vital y extremadamente ávido de energía: según un estudio de 2016 publicado en Nature , la separación criodestilada de solo las olefinas propeno y eteno, que se requieren para los plásticos, consume aproximadamente tanta energía a nivel mundial como todo Singapur. – 0,3% del consumo energético mundial. La destilación en su conjunto es responsable de un masivo 10-15% del uso global de energía. Así que aquí hay una oportunidad para que esta tecnología haga una enorme contribución a nivel mundial.

Almacenamiento de hidrógeno en estado sólido: otra área de gran potencial

El caso de uso de la separación de gases sería un gran avance en sí mismo, pero al almacenar gas de forma segura en polvo, el equipo cree que también ha desbloqueado una forma convincente de almacenar y transportar hidrógeno, que podría desempeñar un papel clave en la próxima transición de energía limpia. 

Actualmente, el hidrógeno puro se almacena como gas o como líquido criogénico. La forma gaseosa debe almacenarse a alrededor de 700 veces la presión atmosférica normal al nivel del mar, o más de 10.100 psi, lo que significa que hay una entrada de energía considerable para comprimirla y requiere tanques de almacenamiento capaces de manejar grandes cargas de presión de manera segura. La forma líquida debe enfriarse por debajo del punto de ebullición del hidrógeno a presión atmosférica: solo 20,28 K (−252,87 °C, −423,17 °F), y debe mantenerse frío y, a veces, presurizado durante el tiempo que se almacene. Esto requiere aún más energía.

El almacenamiento de gas hidrógeno comprimido en cilindros consume mucha energía y requiere equipo pesado. Depositphotos

"La comunidad científica ha estado tratando de encontrar un material de tipo esponja adecuado que pueda almacenar grandes cantidades de hidrógeno durante al menos medio siglo", dicen los autores del estudio. "La técnica que informamos recientemente es para parafina, pero podemos almacenar mucho más hidrógeno. No requiere mucha energía y es segura; en condiciones normales es bastante estable y el hidrógeno no se liberará a menos que se caliente a un par de cientos de grados. Así que hay una esperanza real de que esto se convierta en una tecnología práctica de almacenamiento de estado sólido, no solo para hidrógeno, sino también para amoníaco y otros gases combustibles".

Si bien calentar el polvo hasta varios cientos de grados suena como un proceso que consume mucha energía, los científicos dicen que el viaje de ida y vuelta de gas a polvo y de regreso al gas, usa mucha menos energía que incluso el gas comprimido.

Es difícil dar cifras exactas porque actualmente solo se están realizando experimentos a pequeña escala en comparación con el estudio de separación de gases. Pero creen que se usa tal vez un tercio, o incluso una cuarta parte de la energía que se necesita para comprimir gas de hidrógeno. Y eso se puede mejorar a mayor escala u optimizando las condiciones de molienda y los materiales.

Con el hidrógeno almacenado de forma segura en el polvo, se puede mover y almacenar de manera extremadamente fácil y segura; esta podría ser una forma muy convincente de mover grandes cantidades de hidrógeno para exportar o distribuir, ya que es más barato y más fácil de manejar que el gas o el líquido, y el equipo necesario para liberar el gas para usarlo en el otro extremo será bastante simple.

El polvo también podría tener potencial como combustible directo para automóviles y camiones, si bien antes habría que pensar en un tanque o contenedor adecuado, cómo liberarlo a un ritmo y velocidad controlados, cómo se verá el proceso de abastecimiento de combustible... Esto requerirá más trabajo.

En términos de densidad por volumen y peso, el polvo puede almacenar un porcentaje en peso de hidrógeno de alrededor del 6,5%. Cada gramo de material almacenaría alrededor de 0,065 gramos de hidrógeno. Y en términos de volumen, por cada gramo de polvo, se podrían almacenar alrededor de 50 litros de hidrógeno.

De hecho, si el equipo probara estos números, representarían una duplicación instantánea de las mejores fracciones de masa de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido actuales, que, según Air Liquide , solo pueden administrar 2-3%.

Sin embargo, es complejo comparar estas densidades de peso y volumen con el hidrógeno gaseoso o líquido: muchos factores entran en la ecuación. Cincuenta litros por gramo suena como una cantidad enorme, por ejemplo, pero a presiones atmosféricas, el hidrógeno es 467 veces menos denso que cuando se comprime a 700 bar en un tanque. Entonces, cada gramo de polvo almacenará aproximadamente la misma cantidad de hidrógeno que 0,11 litros de gas H2 comprimido.

Del mismo modo, el 6,5% suena como una fracción de peso muy pequeña: por cada kilogramo de hidrógeno que transporta, también necesita cargar 14,4 kilogramos de nitruro de boro. Los tanques de hidrógeno comprimido actuales son mucho más pesados ​​que el combustible que transportan, por lo que aún lleva al menos 9 kg de tanque por cada 1 kg de hidrógeno dentro. Entonces, si bien el polvo aún necesitaría su propio contenedor y un sistema de liberación de calor agregado al peso de su sistema, es posible que no esté tan lejos del objetivo.

Ciertamente, no parece una solución para la aviación donde los aviones comerciales alimentados con hidrógeno puedan volar cuatro veces más lejos que los aviones actuales de combustible para aviones, por la mitad del costeo del combustible.

Pero la aviación es una clase de transporte particularmente sensible al peso. El hidrógeno secuestrado en polvo podría resultar tan barato, conveniente y fácil de manejar que se convierte en una obviedad en los camiones de larga distancia.

El nitruro de boro está fácilmente disponible en cantidades industriales y es relativamente barato, pero la técnica también debería funcionar con otros materiales, como el grafeno.

Claramente, este avance tiene algunas implicaciones potencialmente enormes, que podrían contribuir en gran medida a la reducción del uso de energía, la reducción de emisiones, la transición hacia la energía verde e incluso la reducción de los precios de los combustibles y los productos químicos. El equipo ha presentado solicitudes de patentes provisionales y esperamos aprender lo que es posible a medida que el método se refina y se adapta a aplicaciones útiles.

Fuente: Universidad de Deakin

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